酶十章酶反應(yīng)器與傳感器

1、關(guān)于酶十章-酶反應(yīng)器和傳感器第一張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 酶反應(yīng)器一、生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)過(guò)程：利用生物催化劑將原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)的過(guò)程。四個(gè)組成部分：原材料的預(yù)處理生物催化劑的制備生物反應(yīng)器的選擇及反應(yīng)條件的控制產(chǎn)物的分離提純第二張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)過(guò)程: 由生物工程所引出的生產(chǎn)過(guò)程第三張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器：在整個(gè)生物反應(yīng)過(guò)程中處于中心的地位，連接原料和產(chǎn)物的橋梁，是實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵設(shè)備。在反應(yīng)器中，通過(guò)產(chǎn)物的合成，使廉價(jià)的原料升值。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作，是生物工程中一個(gè)及其重要的問(wèn)題，它對(duì)

2、產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有很大影響。評(píng)價(jià)生物反應(yīng)器主要是看它生產(chǎn)能力的大小以及產(chǎn)品質(zhì)量的高低。第四張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月與一般的化學(xué)反應(yīng)器相似：維持一定的溫度、pH、反應(yīng)物（營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括溶解氧）濃度，并具有良好的傳質(zhì)、傳熱和混合性能，以提供合適的環(huán)境條件，確保生物反應(yīng)的順利進(jìn)行。與一般的化學(xué)反應(yīng)器不同：細(xì)胞生物反應(yīng)器在運(yùn)行中要杜絕外界各種微生物的進(jìn)入，避免雜菌污染造成的損失。 生物反應(yīng)器的要求第五張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使產(chǎn)品的質(zhì)量高，成本低。生物反應(yīng)器處于生物過(guò)程的中心，它常是影響整個(gè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要方面。第六張，P

3、PT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器歷史簡(jiǎn)介生物反應(yīng)器這一術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)的時(shí)間不長(zhǎng)，但人們利用生物反應(yīng)器進(jìn)行有用物質(zhì)生產(chǎn)卻有著悠久的歷史。我們祖先釀制傳統(tǒng)發(fā)酵食品時(shí)使用的容器就是最初的生物反應(yīng)器。20世紀(jì)40年代是生物反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)、研制和應(yīng)用獲得迅速發(fā)展的階段。傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應(yīng)器稱(chēng)為“發(fā)酵罐”（fermenter）第七張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器歷史簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代，Atkinson提出了生化反應(yīng)器（biochemical reactor）一詞，其含義除包括原有發(fā)酵罐外，還包括酶反應(yīng)器、處理廢水用反應(yīng)器等。同一時(shí)期，Ollis提出了另一術(shù)語(yǔ)生物反應(yīng)器

4、（biological reactor）.20世紀(jì)80年代，生物反應(yīng)器（bioreactor)一詞在專(zhuān)業(yè)期刊與書(shū)籍中大量出現(xiàn)。第八張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則生物反應(yīng)器的作用：為細(xì)胞代謝提供一個(gè)適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使細(xì)胞能更快更好地生長(zhǎng)，并得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。判斷標(biāo)準(zhǔn)：判斷生物反應(yīng)器好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)是該裝置能否適合工藝要求以取得最大的生產(chǎn)效率。設(shè)計(jì)目標(biāo)：生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使產(chǎn)品的質(zhì)量高、成本低。節(jié)能的重要性：生物反應(yīng)器處于生物過(guò)程的中心，是影響整個(gè)生物過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要方面，其中生物反應(yīng)器的節(jié)能是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。第九張，PP

5、T共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要方面： 改善生物催化劑； 好的過(guò)程控制； 好的無(wú)菌條件； 克服速度限制因素（物質(zhì)、熱量、質(zhì)量傳遞）等。第十張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具備：(1) 嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)； (2) 良好的液體混合性能；(3) 較高的傳質(zhì)、傳熱性能；(4) 配套而又可靠的檢測(cè)和控制儀表。第十一張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則 根據(jù)生物反應(yīng)過(guò)程中生產(chǎn)成本結(jié)構(gòu)的不同，生物反應(yīng)器中的生物反應(yīng)過(guò)程可以分為三類(lèi)：（1）轉(zhuǎn)化成本或原料成本為主 （2）回收成本

6、為主 （3）底物的高轉(zhuǎn)化率為目標(biāo)過(guò)程要求：設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器有高的生產(chǎn)能力和高的回收率過(guò)程要求：生物反應(yīng)器有高濃度的產(chǎn)物及低含量雜質(zhì)過(guò)程要求：生物反應(yīng)器具有高的生產(chǎn)能力第十二張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則 根據(jù)不同類(lèi)型的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程就應(yīng)該選擇不同形式的生物反應(yīng)器，以不同的操作方式，最大限度地滿足生物轉(zhuǎn)化的要求。第十三張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月過(guò)程工程方面的廣泛的文獻(xiàn)資料的利用；考慮過(guò)程需求后，選擇合適的反應(yīng)器系統(tǒng)；有效的實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)；將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理外推到工業(yè)化規(guī)模的工廠；發(fā)展設(shè)計(jì)程序和成本模型；將從初始設(shè)想到工廠生產(chǎn)之間的間隔期減到

7、最低程度。生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則包括對(duì)過(guò)程開(kāi)發(fā)的以下方面的探索和優(yōu)化：設(shè)計(jì)方法學(xué)第十四張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的限制因素主要是傳質(zhì)和傳熱。傳質(zhì)和傳熱是設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器和控制操作條件最主要考慮的問(wèn)題。傳質(zhì)問(wèn)題在底物不溶的反應(yīng)過(guò)程中是顯而易見(jiàn)，在高耗氧的生物反應(yīng)過(guò)程中則尤為突出。新的反應(yīng)器不斷出現(xiàn)，相應(yīng)地提高了傳質(zhì)效率。傳熱問(wèn)題在放熱的生物反應(yīng)過(guò)程中非常重要，為了保持生物反應(yīng)器能在常溫下進(jìn)行，如何移走熱量是進(jìn)行大型的生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)必須重視的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳質(zhì)和傳熱第十五張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器的分類(lèi)酶反應(yīng)器

8、中的生物反應(yīng)比較簡(jiǎn)單，與一般的化學(xué)反應(yīng)器無(wú)大的區(qū)別。細(xì)胞生物反應(yīng)器中的生物反應(yīng)比較復(fù)雜，通過(guò)細(xì)胞中精確調(diào)控的酶系進(jìn)行催化的，經(jīng)過(guò)一系列的生物反應(yīng)將培養(yǎng)基的成分轉(zhuǎn)化為新的細(xì)胞個(gè)體以及各種代謝產(chǎn)物。為了使細(xì)胞能有效地維持催化活性，必須避免受到外界各種雜菌的污染。 反應(yīng)是由酶催化的，在反應(yīng)過(guò)程中本身沒(méi)有變化。 采用活細(xì)胞（包括微生物、動(dòng)植物、細(xì)胞）為生物催化劑，在反應(yīng)的同時(shí)，細(xì)胞本身也得到了增殖 。酶反應(yīng)器細(xì)胞生物反應(yīng)器1. 生物催化劑的不同生物反應(yīng)器第十六張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器的分類(lèi)間歇式生物反應(yīng)器：基本特征是反應(yīng)物料一次性加入和取出，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成僅隨時(shí)間而變化

9、。在該類(lèi)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程是一非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。間歇式生物反應(yīng)器在生物反應(yīng)器中占有重要位置，適合于多品種、小批量、反應(yīng)速率較慢的反應(yīng)過(guò)程。 間歇式 2. 反應(yīng)器的操作方式 生物反應(yīng)器連續(xù)式 半連續(xù)式 間歇式 第十七張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月以酶為催化劑的間歇式生物反應(yīng)器：在反應(yīng)開(kāi)始到結(jié)束的整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，沒(méi)有底物和產(chǎn)物的加入和取出，但底物和產(chǎn)物的濃度是隨反應(yīng)時(shí)間的變化而變化。生物反應(yīng)器的分類(lèi)第十八張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器的分類(lèi)連續(xù)式生物反應(yīng)器：采用連續(xù)操作，可以一定的流量不斷加入新的培養(yǎng)基，同時(shí)以相同的流量不斷取出反應(yīng)液，這樣就可以不斷地補(bǔ)充細(xì)胞需要的

10、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而代謝產(chǎn)物則不斷被稀釋而排出，使生化反應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行下去。連續(xù)式生物反應(yīng)器中的反應(yīng)大多屬于穩(wěn)態(tài)過(guò)程，反應(yīng)器內(nèi)任何部位的物系組成均不隨時(shí)間而變化。間歇式 生物反應(yīng)器連續(xù)式 半連續(xù)式 連續(xù)式 第十九張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 生物反應(yīng)器的分類(lèi)連續(xù)式生物反應(yīng)器克服了在間歇式生物反應(yīng)器中，由于營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)耗盡或有害代謝產(chǎn)物積累所造成的反應(yīng)只能在有限的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的缺點(diǎn)。連續(xù)式生物反應(yīng)器具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)其操作及質(zhì)量控制提出了更高的要求。第二十張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器的分類(lèi)半連續(xù)式生物反應(yīng)器：采用將原料與部分產(chǎn)物連續(xù)輸入或輸出，其余則

11、分批加入或輸出的半連續(xù)操作。半連續(xù)生物反應(yīng)器同時(shí)具有間歇式生物反應(yīng)器和連續(xù)式生物反應(yīng)器的一些特點(diǎn)。 間歇式 生物反應(yīng)器連續(xù)式 半連續(xù)式 半連續(xù)式 第二十一張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器的分類(lèi)主要差別反映在外型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同 膜式 3. 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征生物反應(yīng)器釜式管式塔式第二十二張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器的分類(lèi)通過(guò)機(jī)械攪拌輸入能量 循環(huán)式4. 能量的輸入方式 生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌式氣升式利用氣體噴射動(dòng)能 利用泵對(duì)液體的噴射作用而使液體循環(huán) 第二十三張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器的分類(lèi)生物膜反應(yīng)器 5. 生物催化劑在反映器

12、中的分布方式 生物反應(yīng)器生物團(tuán)塊反應(yīng)器填充床流化床生物轉(zhuǎn)盤(pán)第二十四張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物反應(yīng)器的分類(lèi)活塞流型生物反應(yīng)器 6. 反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合狀態(tài)生物反應(yīng)器全混流型生物反應(yīng)器第二十五張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、酶反應(yīng)器的類(lèi)型和 特點(diǎn)酶反應(yīng)器基本上是游離酶、固定化酶或固定化細(xì)胞催化反應(yīng)的容器（附加上混合、取樣和檢測(cè)設(shè)備）。作用：以盡可能底的成本，按一定的速度由規(guī)定的反應(yīng)物制備特定產(chǎn)物。按幾何形狀 ：罐狀、管狀、膜或片型按進(jìn)料和出料方式：分批式、半分批式、連續(xù)反應(yīng)器按功能：膜反應(yīng)器、液固反應(yīng)器、氣液固三相反應(yīng)器 第二十六張，PPT共三十九頁(yè)，

13、創(chuàng)作于2022年6月酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器游離酶固定化酶用于酶催化反應(yīng)的裝置第二十七張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月固定化酶反應(yīng)器固定化酶反應(yīng)器間歇式連續(xù)式其他連續(xù)流動(dòng)攪拌罐式反應(yīng)器連續(xù)填充床反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)攪拌罐超濾膜反應(yīng)器淤漿反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器不同類(lèi)型反應(yīng)器的結(jié)合根據(jù)進(jìn)料和出料的方式不同劃分第二十八張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月固定化酶反應(yīng)器固定化酶的形狀固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)操作要求反應(yīng)器的費(fèi)用底物的物理性質(zhì)反應(yīng)器選擇因素理想的固定化酶反應(yīng)器第二十九張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（一）游離酶反應(yīng)器1、攪拌罐式反應(yīng)器2、超濾膜反應(yīng)器第三十張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于

14、2022年6月連續(xù)式攪拌罐式反應(yīng)器間歇式攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐-超濾器聯(lián)合反應(yīng)器列管式填充床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器環(huán)流式反應(yīng)器多級(jí)連續(xù)式攪拌罐式反應(yīng)器螺旋卷式生物膜反應(yīng)器多級(jí)串聯(lián)半連續(xù)式操作反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器帶循環(huán)的填充床式反應(yīng)器第三十一張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（二）固定化酶反應(yīng)器1、間歇式酶反應(yīng)器 又稱(chēng)分批反應(yīng)器(Batch Stirred Tank Raeactor, BSTR)，間歇式攪拌反應(yīng)器，攪拌式反應(yīng)罐。第三十二張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器又稱(chēng)連續(xù)式攪拌罐(Continuous Stirred Tank Reactor)。第三十三張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、填充床反應(yīng)器(Packed Bed Reactor, PBR)又稱(chēng)固定床反應(yīng)器第三十四張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4、流化床反應(yīng)器(Fluidized Bed Reactor, FBR)第三十五張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5、連續(xù)攪拌罐超濾膜反應(yīng)器(CSTR-UFR)第三十六張，PPT共三十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6、其他類(lèi)型反應(yīng)器（1